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11.1: Desafíos e impactos del uso de energía - Biología

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La energía para iluminar, calentar y enfriar nuestros edificios, fabricar productos y alimentar nuestros sistemas de transporte proviene de una variedad de fuentes naturales. Las plantas, las algas y las cianobacterias utilizan la energía solar para crecer y crear biomasa que se puede quemar y utilizar para biocombustibles, como madera, biodiesel, bioetanol. En el transcurso de millones de años, la biomasa de organismos fotosintéticos puede crear energía rica en energía. combustibles fósiles a través del proceso geológico de enterramiento y transformación a través del calor y la presión.

Cada uno de estos tipos de energía se puede definir como renovable o no renovable. Las fuentes de energía renovable se pueden reponer dentro de la vida útil de las personas. Los ejemplos incluyen energía solar, eólica y de biomasa. La energía no renovable es finita y no se puede reponer dentro de una escala de tiempo humana. Los ejemplos incluyen la energía nuclear y los combustibles fósiles, que tardan millones de años en formarse. Todas las fuentes de energía tienen un costo ambiental y de salud, y la distribución de la energía no se distribuye por igual entre todas las naciones.

Desafíos ambientales y de salud del uso de energía

Los impactos ambientales del uso de energía en los seres humanos y el planeta pueden ocurrir en cualquier lugar durante el ciclo de vida de la fuente de energía. Los impactos comienzan con la extracción del recurso. Continúan con el procesamiento, purificación o fabricación de la fuente; su transporte al lugar de generación de energía, y finaliza con la disposición de los residuos generados durante su uso.

La extracción de combustibles fósiles se puede utilizar como un estudio de caso porque su uso tiene impactos significativos en el medio ambiente. A medida que minamos más profundamente en las montañas, más lejos en el mar o más en hábitats prístinos, corremos el riesgo de dañar entornos frágiles, y los resultados de accidentes o desastres naturales durante los procesos de extracción pueden ser devastadores. Los combustibles fósiles a menudo se encuentran lejos de donde se utilizan, por lo que deben ser transportados por tuberías, camiones cisterna, ferrocarril o camiones. Todos estos presentan el potencial de accidentes, fugas y derrames. Cuando se transporta por ferrocarril o camión, se debe gastar energía y se generan contaminantes. El procesamiento de petróleo, gas y carbón genera varios tipos de emisiones y desechos, así como también utiliza los recursos hídricos. La producción de energía en las centrales eléctricas genera emisiones de aire, agua y, a menudo, desechos. Las plantas de energía están altamente reguladas en los Estados Unidos por la ley federal y estatal bajo las Leyes de Aire Limpio y Agua Limpia, mientras que las plantas de energía nuclear están reguladas por la Comisión Reguladora Nuclear.

Desafíos geopolíticos de los combustibles fósiles

El uso de combustibles fósiles ha permitido que gran parte de la población mundial alcance un nivel de vida más alto. Sin embargo, esta dependencia de los combustibles fósiles tiene como resultado muchos impactos significativos en la sociedad. Nuestras tecnologías y servicios modernos, como el transporte y los plásticos, dependen de muchas formas de los combustibles fósiles. Si los suministros se vuelven limitados o extremadamente costosos, nuestras economías son vulnerables. Si los países no tienen reservas de combustibles fósiles propias, corren un riesgo aún mayor. Estados Unidos se ha vuelto cada vez más dependiente del petróleo extranjero desde 1970, cuando nuestra propia producción de petróleo alcanzó su punto máximo. Estados Unidos importó más de la mitad del petróleo crudo y los productos refinados del petróleo que consumimos durante 2009. Poco más de la mitad de estas importaciones provinieron del hemisferio occidental (Figura ( PageIndex {2} )).

El mayor poseedor de reservas de petróleo es el Organización de Países Exportadores de Petroleo, (OPEP) (Figura ( PageIndex {3} )). En 2018, había 15 países miembros en la OPEP: Argelia, Angola, Congo, Ecuador, Guinea Ecuatorial, Gabón, Irán, Irak, Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar, Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos y Venezuela. La OPEP intenta influir en la cantidad de petróleo disponible para el mundo asignando una cuota de producción a cada miembro, excepto a Irak, para la cual no se ha fijado ninguna cuota actualmente.

El cumplimiento general de estas cuotas es desigual, ya que los países individuales toman las decisiones de producción reales. Todos estos países tienen una compañía petrolera nacional, pero también permiten que las compañías petroleras internacionales operen dentro de sus fronteras. Pueden restringir las cantidades de producción de esas compañías petroleras. Por lo tanto, los países de la OPEP tienen una gran influencia en la cantidad de la demanda mundial que satisface la oferta de la OPEP y fuera de la OPEP. Un ejemplo reciente de esto son los aumentos de precios que se produjeron durante el año 2011 después de múltiples levantamientos populares en los países árabes, incluida Libia.

Esta presión ha llevado a Estados Unidos a desarrollar políticas que reducirían la dependencia del petróleo extranjero, como el desarrollo de fuentes nacionales adicionales y su obtención de países que no pertenecen al Medio Oriente, como Canadá, México, Venezuela y Nigeria. Sin embargo, dado que las reservas de combustibles fósiles crean empleos y proporcionan dividendos a los inversores, hay mucho en juego en una nación que tiene reservas de petróleo. La riqueza petrolera puede ser compartida con los habitantes del país o retenida por las compañías petroleras y las dictaduras, como en Nigeria antes de la década de 1990.


Después de estudiar este capítulo, debería poder:

  • Describe qué es el medio ambiente y algunos de sus componentes principales.
  • Identificar las características compartidas de las ciencias naturales.
  • Comprender el proceso de investigación científica.
  • Compare el razonamiento inductivo con el razonamiento deductivo
  • Describir los objetivos de la ciencia básica y la ciencia aplicada.
  • Definir ciencia ambiental
  • Comprender por qué es importante estudiar ciencias ambientales.
  • Explicar el concepto de sostenibilidad y sus desafíos sociales, políticos y culturales.
  • Evaluar los principales puntos de la ética ambiental.
  • Describir el concepto de justicia ambiental.
  • Diferenciar entre países desarrollados y en desarrollo

11.1: Desafíos e impactos del uso de energía - Biología

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Los artículos de fondo representan la investigación más avanzada con un potencial significativo de alto impacto en el campo. Los artículos de fondo se envían por invitación individual o recomendación de los editores científicos y se someten a una revisión por pares antes de su publicación.

El artículo destacado puede ser un artículo de investigación original, un estudio de investigación novedoso y sustancial que a menudo implica varias técnicas o enfoques, o un artículo de revisión completo con actualizaciones concisas y precisas sobre los últimos avances en el campo que revisan sistemáticamente los avances científicos más interesantes. literatura. Este tipo de artículo ofrece una perspectiva sobre las futuras direcciones de la investigación o sus posibles aplicaciones.

Los artículos de Editor's Choice se basan en las recomendaciones de los editores científicos de las revistas de MDPI de todo el mundo. Los editores seleccionan una pequeña cantidad de artículos publicados recientemente en la revista que creen que serán particularmente interesantes para los autores o importantes en este campo. El objetivo es proporcionar una instantánea de algunos de los trabajos más interesantes publicados en las diversas áreas de investigación de la revista.


Energía y cambio climático

El clima mundial está cambiando y eso plantea riesgos cada vez más graves para los ecosistemas, la salud humana y la economía. La reciente evaluación de la AEMA "Cambio climático, impactos y vulnerabilidad en Europa 2016" muestra que las regiones de Europa también se enfrentan ya a los impactos de un clima cambiante, incluido el aumento del nivel del mar, condiciones meteorológicas más extremas, inundaciones, sequías y tormentas.

Estos cambios se producen porque se liberan grandes cantidades de gases de efecto invernadero a la atmósfera como resultado de muchas actividades humanas en todo el mundo, incluida, lo más importante, la quema de combustibles fósiles para la generación de electricidad, la calefacción y el transporte. La combustión de combustibles fósiles también libera contaminantes del aire que dañan el medio ambiente y la salud humana.

A nivel mundial, el uso de energía representa, con mucho, la mayor fuente de emisiones de gases de efecto invernadero de las actividades humanas. Aproximadamente dos tercios de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero están relacionadas con la quema de combustibles fósiles para obtener energía que se utilizará para calefacción, electricidad, transporte e industria. También en Europa, los procesos energéticos son los mayores emisores de gases de efecto invernadero, siendo responsables del 78% de las emisiones totales de la UE en 2015.

Nuestro uso y producción de energía tienen un impacto masivo en el clima y lo contrario también es cada vez más cierto. El cambio climático puede alterar nuestro potencial de generación de energía y nuestras necesidades energéticas. Por ejemplo, los cambios en el ciclo del agua tienen un impacto en la energía hidroeléctrica, y las temperaturas más cálidas aumentan la demanda de energía para enfriamiento en el verano, mientras que disminuyen la demanda de calefacción en el invierno.

Compromiso de acción global y europeo

Los esfuerzos globales hasta ahora para mitigar el cambio climático culminaron en el Acuerdo de París en 2015. A través del acuerdo, 195 países adoptaron el primer acuerdo climático global universal y legalmente vinculante. El objetivo del acuerdo, limitar el aumento de la temperatura media mundial a muy por debajo de los 2 ° C, al tiempo que apunta a limitar el aumento a 1,5 ° C, es ambicioso y no se puede lograr sin una revisión importante de la producción y el consumo de energía a nivel mundial.

Para apoyar la agenda climática global, la UE ha adoptado objetivos climáticos y energéticos vinculantes para 2020 y propuso objetivos para 2030 como parte de sus esfuerzos generales para avanzar hacia una economía baja en carbono y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 80-95% para 2050. El primer conjunto de objetivos climáticos y energéticos para 2020 incluye una reducción del 20% en las emisiones de gases de efecto invernadero (en comparación con los niveles de 1990), un 20% del consumo de energía procedente de las energías renovables y una mejora del 20% en la eficiencia energética. Sobre la base de las propuestas actuales que se están debatiendo en las instituciones de la UE, el próximo hito de 2030 lleva estos objetivos a una reducción del 40% en las emisiones, un 27% de la energía procedente de fuentes renovables y una mejora del 27% en la eficiencia energética (o un 30%, como recientemente). propuesto por la Comisión Europea) en comparación con la línea de base.

Disminución de las emisiones totales

Las medidas adoptadas para alcanzar estos objetivos están contribuyendo a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en Europa. En 2015, las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE fueron aproximadamente un 22% más bajas que su nivel de 1990. Con la excepción del transporte y los sectores de refrigeración y enfriamiento, habían disminuido en todos los sectores principales. Durante este período, la mayor parte de las reducciones de emisiones se dividió casi por igual entre la industria y los sectores de suministro de energía.

Según evaluaciones recientes de la AEMA sobre las emisiones de gases de efecto invernadero y la energía (Tendencias y proyecciones en Europa 2016), la UE, en conjunto, está en camino de alcanzar sus objetivos para 2020. Se espera que el ritmo de las reducciones disminuya después de 2020 y se necesitan más esfuerzos para cumplir los objetivos a largo plazo. En particular, a pesar de la mejor eficiencia energética de los automóviles y del uso cada vez mayor de biocombustibles, la reducción de las emisiones generales del transporte en la UE ha resultado ser muy difícil. Se espera que algunas soluciones tecnológicas, como los biocombustibles de segunda generación y la captura y almacenamiento de carbono, contribuyan a los esfuerzos climáticos generales, pero no está claro si pueden implementarse a la escala necesaria y ser viables y verdaderamente sostenibles a largo plazo.

Decisión de reparto del esfuerzo y sistema de comercio de derechos de emisión de la UE

Con respecto a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, una de las piedras angulares de los esfuerzos de la Unión Europea es la Decisión de reparto del esfuerzo, que establece objetivos anuales vinculantes sobre emisiones de gases de efecto invernadero para todos los Estados miembros de la UE para 2020. La decisión abarca sectores como el transporte, la construcción y la agricultura. y residuos, que son responsables de alrededor del 55% de las emisiones totales de la UE. Los objetivos nacionales de emisiones se han establecido sobre la base de la riqueza relativa de los Estados miembros, lo que significa que los países más ricos deben reducir sus emisiones más que otros, mientras que algunos países pueden aumentar sus emisiones de los sectores cubiertos. Para 2020, los objetivos nacionales generarán colectivamente una reducción de alrededor del 10% en las emisiones totales de la UE de los sectores cubiertos en comparación con los niveles de 2005.

El 45% restante de las emisiones de la UE (principalmente de centrales eléctricas y plantas industriales) están reguladas por el Sistema de Comercio de Emisiones de la UE (EU ETS). El RCDE UE establece un límite a la cantidad total de gases de efecto invernadero que pueden emitir más de 11 000 instalaciones que consumen mucha energía en 31 países ([1]). También incluye las emisiones de las aerolíneas que operan entre estos países.

Dentro del sistema, las empresas reciben o compran derechos de emisión, que pueden comerciar con otros. Se imponen fuertes multas a las empresas que emiten más de sus derechos de emisión. El límite de todo el sistema se reduce con el tiempo para que disminuyan las emisiones totales. Al asignar un valor monetario al carbono, el RCDE UE crea incentivos para que las empresas encuentren los recortes de emisiones más rentables e inviertan en tecnologías limpias y bajas en carbono.

La Agencia Europea de Medio Ambiente supervisa el progreso de la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero cubiertos por el EU ETS. Según los últimos datos y evaluaciones, estas emisiones disminuyeron un 24% entre 2005 y 2015 y ya están por debajo del límite establecido para 2020. La disminución se debió principalmente al uso de menos carbón duro y combustibles de lignito y más energías renovables para la generación de energía. Las emisiones de otras actividades industriales cubiertas por el RCDE UE también han disminuido desde 2005, pero se han mantenido estables en los últimos años.

La Comisión Europea ha propuesto recientemente incrementar el ritmo de los recortes de emisiones a partir de 2021, de modo que en 2030 los sectores cubiertos por el ETS habrán reducido sus emisiones en un 43% respecto a 2005. A más largo plazo, mirando más allá de los objetivos de 2030 , Los Estados miembros de la UE pueden lograr mayores reducciones de las emisiones de gases de efecto invernadero de los sectores cubiertos por la Decisión de reparto del esfuerzo. Sin esfuerzos sustanciales dirigidos a estos sectores, la UE no alcanzaría su objetivo para 2050 de reducir sus emisiones a un 80% por debajo de los niveles de 1990.

Orientación a sectores y garantía de coherencia a largo plazo

Los esfuerzos de reducción de emisiones de la UE relacionados con la Decisión de reparto del esfuerzo y el RCDE UE están respaldados por una amplia gama de políticas y estrategias a largo plazo. Por ejemplo, los cambios en el uso de la tierra, como la deforestación o la forestación, también pueden afectar las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera. Con este fin, la Comisión Europea presentó una propuesta legislativa en julio de 2016 para incluir las emisiones y absorciones de gases de efecto invernadero de la atmósfera derivadas del uso de la tierra, el cambio de uso de la tierra y la silvicultura en el marco climático y energético de la UE para 2030.

Asimismo, la creciente demanda de transporte ha dificultado bastante la reducción de emisiones de este sector. Para hacer frente a esto, la UE ha presentado varios paquetes de políticas para el transporte, incluida la Estrategia europea para la movilidad con bajas emisiones e iniciativas como Europe on the Move. Otros desafíos, como impulsar la eficiencia energética en los edificios o las energías renovables, también se vieron reforzados recientemente por un paquete integral propuesto en noviembre de 2016.

Los objetivos climáticos a largo plazo de la UE están integrados y respaldados por marcos políticos más amplios, como la Estrategia de la Unión de la Energía, que tiene como objetivo garantizar la coherencia de las políticas a largo plazo. Sin una visión política clara y un compromiso político sólido a lo largo del tiempo, los inversores, productores y consumidores se mostrarían reacios a adoptar soluciones que puedan percibir como inversiones riesgosas.

Las decisiones de inversión dan forma al futuro

En esencia, las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía se pueden reducir de dos maneras: optando por fuentes de energía más limpias, por ejemplo, reemplazando los combustibles fósiles por fuentes renovables no combustibles, y / o reduciendo el consumo total de energía mediante el ahorro de energía y ganancias de eficiencia energética, por ejemplo, mejorando el aislamiento de las viviendas o utilizando modos de transporte más ecológicos.

Sin embargo, para evitar los peores impactos del cambio climático, este cambio debe ocurrir muy pronto, mucho antes de que se agoten las reservas de combustibles fósiles. Cuanto más liberamos gases de efecto invernadero a la atmósfera, menos probabilidades tenemos de limitar los efectos nocivos del cambio climático.

Dada la urgencia de la tarea en cuestión, la pregunta es si todavía estamos invirtiendo y planeando invertir en energía basada en combustibles fósiles. Las decisiones políticas para subsidiar una fuente de energía pueden influir en las decisiones de inversión. En ese sentido, las subvenciones y los incentivos fiscales han sido fundamentales para impulsar la generación de energía renovable a partir de la energía solar y eólica. Esto también es válido para las inversiones en combustibles fósiles, que siguen estando subvencionadas en muchos países.

En los últimos años, muchos inversores anunciaron sus decisiones de desinvertir - alejar sus inversiones - de las actividades vinculadas a los combustibles fósiles. Algunos de estos anuncios se basaron en preocupaciones éticas, mientras que otros indicaron dudas con respecto al sentido comercial de tales inversiones cuando se ha establecido un límite en la cantidad total de gases de efecto invernadero que podrían liberarse (a menudo denominado 'presupuesto de carbono') para limitar el calentamiento global a 2 ° C para finales de siglo.

La generación de energía a menudo requiere grandes inversiones y se espera que una planta de energía, una vez operativa, permanezca en servicio durante décadas. Las inversiones actuales y previstas en tecnologías contaminantes convencionales pueden, de hecho, frenar la transición hacia fuentes de energía limpia. Estas decisiones de inversión pueden bloquear las opciones y los recursos energéticos durante décadas, lo que dificulta la adopción de nuevas soluciones.

Para resaltar este tipo de riesgo, la AEMA analizó las centrales eléctricas existentes y previstas en Europa que funcionan con combustibles fósiles. El análisis muestra que, si prolongamos la vida útil de las plantas existentes y construimos nuevas plantas basadas en combustibles fósiles en las próximas décadas, la UE corre el riesgo de tener mucha más capacidad de generación de energía basada en combustibles fósiles de la que necesitará. En otras palabras, para alcanzar los objetivos climáticos de la UE, algunas de estas centrales eléctricas tendrían que permanecer inactivas.

Existen riesgos similares de bloqueo, por ejemplo, en el transporte, donde nuestra movilidad depende en gran medida del motor de combustión interna alimentado por combustibles fósiles, que se combina con inversiones continuas en la infraestructura tradicional de transporte por carretera. Juntos, forman una barrera para cambiar a modos de transporte más sostenibles, que se necesitan desesperadamente para mitigar el cambio climático, reducir la contaminación del aire y el ruido y, en última instancia, mejorar la calidad de vida de las personas.

Abordar el dilema de la energía y el clima no es fácil, pero ya están tomando forma muchas innovaciones prometedoras. Un informe reciente, 'Transiciones de sostenibilidad: ahora para el largo plazo', de la AEMA y la Red Europea de Información y Observación del Medio Ambiente (Eionet) muestra algunas de las innovaciones en múltiples sectores que tienen el potencial de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía. . La reducción del desperdicio de alimentos, la jardinería urbana, mejores cadenas de suministro y los viajes aéreos con energía solar son quizás pequeñas piezas de un gran rompecabezas, pero, juntas, muestran cómo las tecnologías y prácticas innovadoras pueden surgir y allanar el camino para un cambio más amplio en la sostenibilidad.


Abstracto

El desperdicio de alimentos, particularmente cuando es evitable, ocasiona pérdidas de recursos e impactos ambientales considerables debido a los múltiples procesos involucrados en el ciclo de vida. Este estudio aplica un método de evaluación del ciclo de vida ascendente para cuantificar los impactos ambientales del desperdicio de alimentos evitable generado por cuatro sectores de la cadena de suministro de alimentos en el Reino Unido, a saber, procesamiento, mayorista y minorista, servicio de alimentos y hogares. Los impactos se cuantificaron para diez categorías de impacto ambiental, desde el calentamiento global hasta el agotamiento del agua, incluidos los impactos indirectos del cambio de uso de la tierra debido a la demanda de tierra. El impacto del calentamiento global del desperdicio de alimentos evitable se cuantificó entre 2000 y 3600 kg CO2-eq. t −1. La gama reflejó las diferentes composiciones de los residuos en cada sector. Los principales contribuyentes al impacto, en todas las categorías ambientales evaluadas, fueron los cambios en el uso de la tierra y la producción de alimentos. La preparación de alimentos, para los hogares y los sectores de servicios alimentarios, también brindó una contribución importante a los impactos del calentamiento global, mientras que la gestión de desechos mitigó en parte los impactos generales al incurrir en ahorros significativos cuando el vertedero se reemplazó por digestión anaeróbica e incineración. Para mejorar aún más estos resultados, se recomienda centrar los esfuerzos futuros en proporcionar datos mejorados con respecto al desglose de productos alimenticios específicos dentro de los desechos mixtos, los efectos indirectos del cambio de uso de la tierra y la proporción de desechos de alimentos que se cocinan. Aprendiendo de este y de estudios anteriores, destacamos los desafíos relacionados con el modelado y las opciones metodológicas. En particular, los conjuntos de datos de producción de alimentos deben elegirse y utilizarse con cuidado, para evitar el doble conteo y la sobreestimación de los impactos finales.


Asegurar el cumplimiento

Nos enfocamos en las actividades de cumplimiento y aplicación para asegurar el cumplimiento de las leyes y regulaciones, con énfasis en corregir las violaciones con un daño potencial significativo para la salud humana y el medio ambiente. Además de las investigaciones autodirigidas, recibimos miles de pistas e informes de incidentes relacionados con las actividades de petróleo y gas natural que podrían afectar la salud humana y la calidad del aire o del agua. Trabajamos con los gobiernos estatales y locales para responder a incidentes, fomentar la prevención diligente de accidentes y brindar respuestas efectivas y rápidas cuando ocurren emergencias. Nuestras oficinas en todo el país ("Regiones" u "Oficinas regionales") brindan orientación y subvenciones a los reguladores estatales, realizan inspecciones, llevan a cabo acciones de cumplimiento y emiten permisos y cartas de solicitud de información, a fin de garantizar que las leyes federales existentes sean coherentes y eficaces. implementado.

En marzo de 2019, la EPA anunció un programa de divulgación voluntaria para los nuevos propietarios de instalaciones y exploración de petróleo y gas natural aguas arriba. El programa se desarrolló para alentar a los nuevos propietarios de estas instalaciones a participar porque brindaba certeza regulatoria y una mitigación de sanciones civiles claramente definida más allá de lo que ofrecían las políticas de divulgación de información existentes de la EPA. Obtenga más información sobre la Política de auditoría de la EPA. En diciembre de 2019, la EPA amplió temporalmente su programa voluntario de autoauditoría y divulgación para las instalaciones de petróleo y gas natural aguas arriba al brindar a los propietarios existentes la oportunidad de encontrar, corregir y divulgar por sí mismos las violaciones de la Ley de Aire Limpio. Obtenga más información sobre el Programa de auditoría de propietarios existentes para instalaciones de producción de petróleo y gas natural.


Uno de cada tres hogares de EE. UU. Enfrentó desafíos para pagar las facturas de energía en 2015

Casi un tercio de los hogares de EE. UU. (31%) informaron que enfrentaron un desafío para pagar las facturas de energía o mantener una calefacción y refrigeración adecuadas en su hogar en 2015. Según los resultados más recientes de la Encuesta de consumo de energía residencial (RECS) de la EIA, aproximadamente uno de cada cinco hogares informaron haber reducido o renunciado a necesidades básicas como alimentos y medicinas para pagar una factura de energía y el 14% informó haber recibido un aviso de desconexión del servicio de energía. Es posible que los hogares también hayan usado menos energía de la que preferirían: el 11% de los hogares encuestados informaron que mantenían su hogar a una temperatura insalubre o insegura.

El RECS de 2015 preguntó sobre estos y otros desafíos, incluido el pago de facturas de energía y la reparación de equipos rotos en el hogar. Los hogares que experimentan estas circunstancias, que a menudo se consideran componentes de la inseguridad energética de los hogares, pueden estar haciendo concesiones financieras difíciles sobre qué necesidades básicas deben satisfacer.

El cuestionario RECS de 2015 capturó tanto la ocurrencia de inseguridad energética doméstica como la gravedad de la inseguridad energética doméstica en 2015, medida por la frecuencia de eventos de inseguridad energética que duraron desde unas pocas semanas hasta la mayor parte del año. De los 25 millones de hogares que informaron haber renunciado a alimentos y medicinas para pagar las facturas de energía, 7 millones enfrentaron esa decisión casi todos los meses. De los 17 millones de hogares que informaron haber recibido un aviso de desconexión, 2 millones respondieron que esto ocurrió casi todos los meses.

Ocasionalmente, los hogares pueden perder por completo el uso de equipos de calefacción o aire acondicionado. Esto puede ocurrir cuando el equipo se rompe y un hogar no puede permitirse repararlo, así como cuando un hogar no puede pagar el combustible para su equipo. Los resultados de RECS de 2015 muestran que siete millones de hogares (6% del total nacional) experimentaron la incapacidad de usar equipos de calefacción en algún momento de 2015 y 6 millones (5%) experimentaron la pérdida de aire acondicionado. Estos problemas ocurrieron durante un año en el que los gastos generales relacionados con la energía estaban en su punto más bajo en más de una década.

Solo se encontraron pequeñas diferencias entre las regiones geográficas del país y entre los encuestados urbanos y rurales. Esto sugiere que la capacidad de un hogar para costear energía y mantener equipos está más relacionada con las características estructurales y demográficas que con la geografía y los climas asociados. Por ejemplo, los hogares que incluían niños, que tenían residentes que se identificaban con un grupo racial minoritario o hispanos, o eran de bajos ingresos, experimentaron más inseguridad energética. Los hogares que experimentaban inseguridad energética también tenían más probabilidades de vivir en hogares construidos antes de 1990.

Información adicional sobre la inseguridad energética de los hogares y el uso de energía en todos los hogares está disponible en los informes RECS de 2015, tablas y un archivo de microdatos de uso público.


Lo que necesita saber sobre la energía

Dividimos nuestro uso de energía entre cuatro sectores económicos: residencial, comercial, transporte e industrial. Calentar y enfriar nuestros hogares, iluminar edificios de oficinas, conducir automóviles y mover mercancías, y fabricar los productos en los que confiamos en nuestra vida diaria son funciones que requieren energía. Si las proyecciones son correctas, seguiremos necesitando más. Solo en los Estados Unidos, se espera que el consumo de energía aumente un 7,3% durante las próximas dos décadas. Se espera que el consumo global aumente en un 40% durante el mismo período de tiempo.

Hogar y trabajo de amplificador

Hogar y trabajo de amplificador

Uso residencial y comercial contabilizado 40% de la energía consumida en Estados Unidos en 2015.

¿De dónde proviene la energía consumida en hogares y edificios comerciales? ¿Y para qué sirve? Descubra cómo la energía nos sirve donde vivimos y donde trabajamos.

Transporte

Transporte

28% de toda la energía consumida en los Estados Unidos se destina al transporte de personas y carga.

Con menos de una vigésima parte de la población mundial de rsquos, Estados Unidos alberga más de una quinta parte de los vehículos de rsquos del mundo. Conozca los impactos de nuestra dependencia de los vehículos y el combustible que usamos para hacerlos funcionar.

Industria

Industria

Industria contabilizada 32% de la energía consumida en Estados Unidos en 2015.

La industria es vital para nuestra economía y requiere una parte cada vez mayor de nuestra energía. Descubra qué industrias aprovechan más nuestro suministro de energía y de qué fuentes dependen para impulsar sus procesos.


7.1 Energía en sistemas vivos

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cuál es la importancia de los electrones para la transferencia de energía en los sistemas vivos?
  • ¿Cómo utiliza la célula el ATP como fuente de energía?

Conexión para cursos AP ®

Como aprendimos en capítulos anteriores, los organismos vivos requieren energía libre para impulsar los procesos de la vida como el crecimiento, la reproducción, el movimiento y el transporte activo. El ATP (trifosfato de adenosina) funciona como moneda de energía para las células. Permite que las células almacenen energía y la transfieran dentro de las células para proporcionar energía para procesos celulares como el crecimiento, el movimiento y el transporte activo. La molécula de ATP consta de un azúcar ribosa y una base de adenina con tres fosfatos unidos. En la hidrólisis de ATP, se suministra energía libre cuando se desprenden uno o dos grupos fosfato y se produce ADP (difosfato de adenosina) o AMP (monofosfato de adenosina). La energía derivada del metabolismo de la glucosa se utiliza para convertir ADP en ATP durante la respiración celular. A medida que exploramos la respiración celular, aprenderemos que las dos formas en que la célula regenera el ATP se denominan fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa.

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos y los Objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 2 y la Gran Idea 4 del Marco del Currículo de Biología AP ®, como se muestra en la tabla. Los objetivos de aprendizaje enumerados en el marco curricular proporcionan una base transparente para el curso de biología AP ®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®. Un objetivo de aprendizaje combina el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.A El crecimiento, la reproducción y el mantenimiento de los sistemas vivos requieren energía y materia libres.
Conocimiento esencial 2.A.2 Los organismos capturan y almacenan energía libre para su uso en procesos biológicos.
Práctica de la ciencia 1.4 El alumno puede utilizar representaciones y modelos para analizar situaciones o resolver problemas de forma cualitativa y cuantitativa.
Práctica de la ciencia 3.1 El alumno puede plantear cuestiones científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.4 El estudiante puede usar representaciones para plantear preguntas científicas sobre qué mecanismos y características estructurales permiten que los organismos capturen, almacenen y usen energía libre.
Conocimiento esencial 2.A.2 Los organismos capturan y almacenan energía libre para su uso en procesos biológicos.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.5 El estudiante es capaz de construir explicaciones de los mecanismos y características estructurales de las células que permiten a los organismos capturar, almacenar o utilizar energía libre.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 2.5] [APLO 2.16]

Apoyo a los profesores

Pregunte a los estudiantes qué sucede cuando comen una barra de chocolate. ¿Cómo se extrae la energía? ¿A qué nos referimos cuando decimos que nuestros cuerpos queman el azúcar de los alimentos para obtener energía? ¿En qué se parecen la respiración celular y la combustión? Ambas son reacciones redox que generan energía a partir de la reacción del combustible (glucosa en la respiración celular) con el oxígeno. Sin embargo, nuestros cuerpos necesitan controlar la liberación de esta energía, de modo que las células puedan capturar la energía libre liberada para realizar un trabajo útil.

La producción de energía dentro de una célula implica muchas vías químicas coordinadas. La mayoría de estas vías son combinaciones de reacciones de oxidación y reducción. La oxidación y la reducción ocurren en conjunto. Una reacción de oxidación quita un electrón de un átomo en un compuesto, y la adición de este electrón a otro compuesto es una reacción de reducción. Debido a que la oxidación y la reducción generalmente ocurren juntas, estos pares de reacciones se denominan reacciones de oxidación y reducción o reacciones redox.

Electrones y Energía

La eliminación de un electrón de una molécula, oxidándolo, da como resultado una disminución de la energía potencial en el compuesto oxidado. Sin embargo, el electrón (a veces como parte de un átomo de hidrógeno) no permanece suelto en el citoplasma de una célula. Más bien, el electrón se desplaza a un segundo compuesto, reduciendo el segundo compuesto. El desplazamiento de un electrón de un compuesto a otro elimina algo de energía potencial del primer compuesto (el compuesto oxidado) y aumenta la energía potencial del segundo compuesto (el compuesto reducido). La transferencia de electrones entre moléculas es importante porque la mayor parte de la energía almacenada en los átomos y utilizada para las funciones de la pila de combustible está en forma de electrones de alta energía. La transferencia de energía en forma de electrones permite que la célula transfiera y utilice energía de forma incremental, en pequeños paquetes en lugar de en una sola explosión destructiva. Este capítulo se centra en la extracción de energía de los alimentos; verá que a medida que sigue la ruta de las transferencias, está rastreando la ruta de los electrones que se mueven a través de las rutas metabólicas.

Portadores de electrones

En los sistemas vivos, una pequeña clase de compuestos funciona como lanzaderas de electrones: se unen y transportan electrones de alta energía entre compuestos en vías. Los principales portadores de electrones que consideraremos se derivan del grupo de vitamina B y son derivados de nucleótidos. Estos compuestos pueden reducirse fácilmente (es decir, aceptan electrones) u oxidarse (pierden electrones). El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) (Figura 7.2) se deriva de la vitamina B3, niacina. NAD + es la forma oxidada de la molécula NADH es la forma reducida de la molécula después de haber aceptado dos electrones y un protón (que juntos son el equivalente de un átomo de hidrógeno con un electrón extra).

NAD + puede aceptar electrones de una molécula orgánica de acuerdo con la ecuación general:

Cuando se agregan electrones a un compuesto, se reducen. Un compuesto que reduce a otro se llama agente reductor. En la ecuación anterior, RH es un agente reductor y NAD + se reduce a NADH. When electrons are removed from compound, it is oxidized. A compound that oxidizes another is called an oxidizing agent. In the above equation, NAD + is an oxidizing agent, and RH is oxidized to R.

Similarly, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) is derived from vitamin B2, also called riboflavin. Its reduced form is FADH2. A second variation of NAD, NADP, contains an extra phosphate group. Both NAD + and FAD + are extensively used in energy extraction from sugars, and NADP plays an important role in anabolic reactions and photosynthesis.

ATP in Living Systems

A living cell cannot store significant amounts of free energy. Excess free energy would result in an increase of heat in the cell, which would result in excessive thermal motion that could damage and then destroy the cell. Rather, a cell must be able to handle that energy in a way that enables the cell to store energy safely and release it for use only as needed. Las células vivas logran esto mediante el uso del compuesto trifosfato de adenosina (ATP). El ATP a menudo se denomina "moneda de energía" de la celda y, al igual que la moneda, este compuesto versátil se puede utilizar para satisfacer cualquier necesidad de energía de la celda. ¿Cómo? It functions similarly to a rechargeable battery.

When ATP is broken down, usually by the removal of its terminal phosphate group, energy is released. The energy is used to do work by the cell, usually by the released phosphate binding to another molecule, activating it. For example, in the mechanical work of muscle contraction, ATP supplies the energy to move the contractile muscle proteins. Recall the active transport work of the sodium-potassium pump in cell membranes. ATP alters the structure of the integral protein that functions as the pump, changing its affinity for sodium and potassium. In this way, the cell performs work, pumping ions against their electrochemical gradients.

ATP Structure and Function

At the heart of ATP is a molecule of adenosine monophosphate (AMP), which is composed of an adenine molecule bonded to a ribose molecule and to a single phosphate group (Figure 7.3). The addition of a second phosphate group to this core molecule results in the formation of adenosine diphosphate (ADP) the addition of a third phosphate group forms adenosine triphosphate (ATP).

The addition of a phosphate group to a molecule requires energy. Los grupos fosfato están cargados negativamente y, por lo tanto, se repelen entre sí cuando están dispuestos en serie, como lo están en ADP y ATP. Esta repulsión hace que las moléculas de ADP y ATP sean inherentemente inestables. The release of one or two phosphate groups from ATP, a process called dephosphorylation , releases energy.

Energy from ATP

Hydrolysis is the process of breaking complex macromolecules apart. During hydrolysis, water is split, or lysed, and the resulting hydrogen atom (H + ) and a hydroxyl group (OH - ) are added to the larger molecule. The hydrolysis of ATP produces ADP, together with an inorganic phosphate ion (PI), and the release of free energy. To carry out life processes, ATP is continuously broken down into ADP, and like a rechargeable battery, ADP is continuously regenerated into ATP by the reattachment of a third phosphate group. Water, which was broken down into its hydrogen atom and hydroxyl group during ATP hydrolysis, is regenerated when a third phosphate is added to the ADP molecule, reforming ATP.

Obviously, energy must be infused into the system to regenerate ATP. ¿De dónde viene esta energía? In nearly every living thing on earth, the energy comes from the metabolism of glucose. In this way, ATP is a direct link between the limited set of exergonic pathways of glucose catabolism and the multitude of endergonic pathways that power living cells.

Phosphorylation

Recall that, in some chemical reactions, enzymes may bind to several substrates that react with each other on the enzyme, forming an intermediate complex. An intermediate complex is a temporary structure, and it allows one of the substrates (such as ATP) and reactants to more readily react with each other in reactions involving ATP, ATP is one of the substrates and ADP is a product. During an endergonic chemical reaction, ATP forms an intermediate complex with the substrate and enzyme in the reaction. This intermediate complex allows the ATP to transfer its third phosphate group, with its energy, to the substrate, a process called phosphorylation. Phosphorylation refers to the addition of the phosphate (

P). This is illustrated by the following generic reaction:

When the intermediate complex breaks apart, the energy is used to modify the substrate and convert it into a product of the reaction. The ADP molecule and a free phosphate ion are released into the medium and are available for recycling through cell metabolism.

Substrate Phosphorylation

ATP is generated through two mechanisms during the breakdown of glucose. A few ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of the chemical reactions that occur in the catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP (Figure 7.4). This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation .

Fosforilación oxidativa

Most of the ATP generated during glucose catabolism, however, is derived from a much more complex process, chemiosmosis, which takes place in mitochondria (Figure 7.5) within a eukaryotic cell or the plasma membrane of a prokaryotic cell. Chemiosmosis , a process of ATP production in cellular metabolism, is used to generate 90 percent of the ATP made during glucose catabolism and is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight. The production of ATP using the process of chemiosmosis is called oxidative phosphorylation because of the involvement of oxygen in the process.

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Piénsalo

Explain why it is more metabolically efficient for cells to extract energy from ATP rather than from the bonds of carbohydrates directly.

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This question is an application of Learning Objective 2.5 and Science Practice 6.2 because students are asked to explain why ATP is considered the “energy currency” of the cell.

Possible answer

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Mitochondrial Disease Physician

What happens when the critical reactions of cellular respiration do not proceed correctly? Mitochondrial diseases are genetic disorders of metabolism. Mitochondrial disorders can arise from mutations in nuclear or mitochondrial DNA, and they result in the production of less energy than is normal in body cells. In type 2 diabetes, for instance, the oxidation efficiency of NADH is reduced, impacting oxidative phosphorylation but not the other steps of respiration. Symptoms of mitochondrial diseases can include muscle weakness, lack of coordination, stroke-like episodes, and loss of vision and hearing. Most affected people are diagnosed in childhood, although there are some adult-onset diseases. Identifying and treating mitochondrial disorders is a specialized medical field. The educational preparation for this profession requires a college education, followed by medical school with a specialization in medical genetics. Medical geneticists can be board certified by the American Board of Medical Genetics and go on to become associated with professional organizations devoted to the study of mitochondrial diseases, such as the Mitochondrial Medicine Society and the Society for Inherited Metabolic Disease.

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    • Autores: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Editor / sitio web: OpenStax
    • Título del libro: Biología para cursos AP®
    • Fecha de publicación: 8 de marzo de 2018
    • Ubicación: Houston, Texas
    • URL del libro: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/7-1-energy-in-living-systems

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